Nanotechnologie war schon immer ein Thema, wenn es um höhere Bitdichten von Festplatten geht. Auch die GMR-Schreib-Lese-Köpfe (Giant Magneto Resistive) sind ohne Nanotechnologie nicht denkbar. Nunmehr geht der Festplattenhersteller HGST (vormals Hitachi Global Storage Technologies und jetzt ein Unternehmen von Western Digital) daran, Nanotechnologie mit Nanolithografie, welche lange Zeit ausschließlich den Halbleiterhersteller vorbehalten war, zu kombinieren.

Dadurch sei es den HGST Labs nun gelungen, zwei innovative Nanotechnologien – selbstausrichtende Moleküle und Nanoprägung – zur Erzeugung von großflächigen dichten Mustern magnetischer Inseln mit einer Breite von gerade einmal 10 Milliardstel Metern (10 Nanometer) zu kombinieren. Diese Muster sind gerade einmal etwa 50 Atome breit und rund 100.000 Mal dünner als ein menschliches Haar.

Nanolithografie statt Fotolithografie

»Als Erfinder der Festplatten sind wir stolz darauf, unsere Tradition der Innovation bei der nanotechnologischen Verbesserung fortsetzen zu können«, sagt Currie Munce, Vizepräsident von HGST Research. »Die bei HGST Labs eingesetzten Zukunftstechniken der selbstausrichtenden Moleküle und der Nanoprägung werden enorme Auswirkungen auf die Herstellung im Nanobereich haben. Sie werden es noch vor Ende dieses Jahrzehnts ermöglichen, mit dem sogenannten Bit-Patterned-Media ein kosteneffektives Mittel zur Erhöhung der Datendichten in magnetischen Festplattenlaufwerken zu erreichen.«

Mit seinen Entdeckungen auf dem Gebiet der Nanolithografie will HGST die wachsenden Herausforderungen im Zusammenhang mit der Fotolithografie überwunden haben. Die Fotolithografie ist seit langem die bevorzugte Technologie in der Halbleiterbranche zum Erreichen immer kleinerer Stromkreismuster unter Verwendung traditioneller, immer kürzerer Wellenlängen des Lichts, verbesserter Optik, fotosensitiver Materialien und raffinierter Techniken.

Fotolithografie am Ende der Fahnenstange?

Da jedoch Ultraviolett-Lichtquellen zu komplex und teuer wurden, kam es zu einer Verlangsamung der Fortschritte auf diesem Gebiet. HGST sieht ihre Aktivitäten auf dem Gebiet der Nanolithografie nun als kreative Antwort auf die Probleme bei der Fotolithografie.

Tom Albrecht, HGST-Fellow, gab kürzlich auf der Konferenz »SPIE Advanced Lithography 2013« in San Jose Einblick in die HGST-Entwicklung bei Nanolithografie. Er beschrieb die zum Patent angemeldete Arbeit, die sein Team in Zusammenarbeit mit Molecular Imprints mit Sitz in Austin, Texas, zur Anordnung dichter Muster magnetischer Inseln in den für Festplatten nötigen etwa 100.000 kreisförmigen Spuren leistete.

Prozesse aus der Chipbranche helfen

Selbstausrichtende Moleküle würden hierbei Hybridpolymere verwenden, die als Blockcopolymere bezeichnet werden und aus Segmenten bestehen, die sich gegenseitig abstoßen. Werden die Segmente als dünne Schicht auf eine entsprechend vorbehandelte Oberfläche aufgebracht, richten sie sich in perfekten Reihen aus. Die Größe der Polymersegmente bestimmt den Abstand der Reihen. Nach Erzeugung der Polymermuster mache ein »Line Doubling« genannter Prozess aus der Chipbranche daraus ein noch feineres Muster, indem zwei separate Linien erzeugt werden, wo zuvor nur eine war.

Die Muster werden dann in »Stempel« für die Nanoprägung konvertiert. Hierbei handelt es sich um einen Präzisionsprägeprozess, bei dem das Muster im Nanometerbereich auf einen Chip oder Festplattenträger übertragen wird.

Herausforderung: Blockcopolymere in kreisförmige Bahnen zwingen

Als entscheidende Herausforderung erwies sich die Vorbereitung der Originaloberfläche, so dass die Blockcopolymere ihre Muster in den für rotierende Festplattenspeicher nötigen radialen und kreisförmigen Bahnen bilden. HGST ist es erstmals gelungen, selbstausrichtende Moleküle, Line-Doubling und Nanoprägung zur Erzeugung rechteckiger Muster mit einer Größe von gerade einmal 10 Nanometern in einer kreisförmigen Anordnung. zu kombinieren.

Die jetzige Ankündigung stellt eine Leitlinie für die kosteneffektive Erzeugung der magnetischen Inseln mit Dichten dar, die die heutigen Möglichkeiten bei Weitem überschreiten. Die Bitdichte des 10-Nanometer-Musters von HGST ist doppelt so groß wie bei heutigen Festplattenlaufwerken. Labortests haben laut HGST ausgezeichnete erste Lese-Schreib-Eigenschaften gezeigt. Es wird davon ausgegangen, dass der Nanoprägeprozess bei Erweiterung auf eine ganze Festplatte mehr als eine Billion eigenständige magnetische Inseln erzeugt.

»Wir haben unsere extrem feinen Muster ohne jeglichen Einsatz konventioneller Fotolithografie hergestellt«, betont Albrecht. »Wir sind der Meinung, dass sich diese Arbeit mit der richtigen Chemie und Oberflächenvorbereitung sogar auf noch kleinere Dimensionen ausdehnen lässt.«

Roadmap: 20 Mal mehr Kapazität als heutige Festplatten

Da selbstausrichtende Moleküle repetitive Muster erzeugen, gehen die Forscher davon aus, dass sie am besten zur Herstellung magnetischer Bit-Patterned-Media für Festplattenlaufwerke geeignet sein werden. Nanoprägung und selbstausrichtende Moleküle lassen sich außerdem ganz einfach in fehlertolerante Anwendungen wie Festplattenlaufwerke oder Speicher integrieren, während die Branche an einer Perfektionierung der Technologien für immer anspruchsvollere Anwendungen arbeitet.

HGST geht davon aus, dass sich langfristig sogar eine Steigerung auf 20-fache Kapazitäten heutiger Festplatten erzielen lässt. Bis dahin wird sei es aber verständlicherweise ein langer Weg. »Es wird etlicher technologischer Durchbrüche bedürfen, um eine derartige Steigerung zu erzielen«, heißt es von HGST. Nichtsdestoweniger sei es aber schon ein großer Erfolg, dafür überhaupt einmal eine Roadmap zu haben.

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